创纪录的SOT-MRAM有望成为替代SRAM的候选者

最近，Imec 公布的超大规模自旋轨道转移 MRAM (SOT-MRAM) 器件已实现创纪录的性能，每比特开关能量低于 100 飞焦耳，耐用性超过 10 的 15 次方。

这些结果使得 SOT-MRAM 成为替代 SRAM 作为高性能计算 (HPC) 应用中最后一级缓存的有希望的候选者。就像 SRAM 一样，它提供高开关速度（在亚纳秒范围内）和无限的耐用性。

此外，由于是非易失性，SOT-MRAM 位单元在高单元密度下可实现比 SRAM 更低的待机功耗。此外，SOT-MRAM 位单元可以做得比 SRAM 单元小得多，从而转化为更高的位封装密度。

Imec 通过实验探索了在 300mm 晶圆上加工的单垂直 SOT-MRAM 器件的扩展潜力和局限性，这是有史以来第一个关于 SOT-MRAM 器件扩展性的研究报告。在 IEDM 2023 上，他们表明，缩小 SOT 轨道不仅减少了 SOT-MRAM 单元的占地面积，而且还大大提高了单元的性能和可靠性。

SOT 轨道是由钨 (W) 或铂 (Pt) 等金属制成的层，位于磁性隧道结 (MTJ)（SOT-MRAM 器件的实际开关元件）下方。SOT 轨道用作面内电流注入层，引入它是为了解耦读取和写入路径。

“在传统的 SOT-MRAM 设计中，SOT 轨道占用的面积大于实际 MTJ 柱的占地面积，为覆盖过程控制提供足够的余量，”imec 磁学项目总监 Sebastien Couet 解释道。“但这会导致能量浪费，因为部分电流会流到 MTJ 区域之外。我们将 SOT-MRAM 器件扩展至极限，SOT 轨道和 MTJ 柱具有相当的尺寸（临界尺寸约 50 纳米）。对于这些器件，我们观察到每比特的开关能量低于 100 飞焦耳 (fJ)，即与传统设计相比减少了 63%。这有助于解决 SOT-MRAM 的剩余挑战，传统上 SOT-MRAM 需要高电流进行写入操作。”

缩放 SOT 轨道可以提高存储器的耐用性，因为它可以减少 SOT 层内的焦耳热。

“凭借超过 1015 个编程/擦除周期的耐用性，我们通过实验验证了我们的假设，即 SOT-MRAM 单元可以具有无限的耐用性——这是缓存存储器的重要要求，”Couet 说。

“我们的数据为电路设计人员提供了宝贵的输入，以便在先进节点上执行 SOT-MRAM 技术的设计技术协同优化 (DTCO)——性能改进和设计裕度之间的权衡。未来的工作重点是材料工程，以进一步降低每位的开关能量，并优化位单元配置，以进一步缩小与 SRAM 相比的单元面积。从长远来看，这些经验也将转移到电压门控 (VG) SOT-MRAM 多柱器件的开发中——imec 针对高密度嵌入式存储器应用的终极解决方案。”Sebastien Couet 补充道。

我们将见证SRAM的死亡?

今年，第 68 届年度 IEEE 国际电子器件会议 (IEDM) 全面恢复，来自世界各地的近 1,500 名工程师（亲临现场）每年都会返回旧金山市中心，讨论半导体行业的最新发展。虽然学术界和工业界都有大量有趣的论文，但台积电的那篇论文带来了可怕的坏消息——虽然逻辑仍在或多或少地沿着历史趋势线扩展，但 SRAM 扩展似乎已经完全崩溃。

在会议上，台积电谈到了原始基础 N3 (N3B) 节点以及增强型 (N3E)，后者是N3B 稍微宽松一些的变体。台积电展示原型测试芯片配备了一个由超过 35 亿个晶体管和一个可完全运行的 256Mbit SRAM 宏组成的逻辑电路（图 1）。SRAM 存储单元面积为 0.0199μm 2，是有史以来最小的。我们确认 SRAM 宏即使在 0.5V 的电压下也能完美工作（图 2）。

有趣的是，对于新的 N3E 节点，高密度 SRAM 位单元尺寸达到 0.021 µm²，这与他们的 N5 节点的位单元大小完全相同，并没有缩小。N3B 变体预计不会进入太多产品，但确实具有缩放 SRAM 位单元；然而，在 0.0199µm² 时，它仅缩小了 5%（或缩小了 0.95 倍）。

就粗略的内存密度而言（假设 ISO 辅助电路开销），N3E 大致为 31.8 Mib/mm²，并将增加到 33.55 Mib/mm² 或 1.75 Mib/mm²（230 KB）的改进。

这是一些严重的坏消息！从这个角度来看，虽然据说 N3B 和 N3E 都提供了 1.6 倍和 1.7 倍的芯片级晶体管缩放，但 SRAM 的 1.0 倍和 1.05 倍缩放是灾难性的。现在，我们仍然希望台积电在某个时候为 N3 推出更密集的 SRAM 位单元变体，我们确实希望在未来看到 SRAM 的某种程度的微缩，但好的旧微缩 SRAM 微缩似乎已经死了。

考虑一个假设的 100 亿晶体管芯片，其中包含 40% 的 SRAM 和 60% 的逻辑，位于 TSMC N16 上。忽略实际限制和模拟/物理/等，这样一个假设的芯片将约为 255 平方毫米，其中 45 平方毫米或 17.6% 用于 SRAM。将完全相同的芯片缩小到 N5 将产生一个 56 平方毫米的芯片，其中 12.58 平方毫米或占芯片的 22.5% 用于 SRAM。将芯片进一步缩小到 N3（基于我们最初但未完全确认的值）将产生一个 44 平方毫米的芯片，其 SRAM 密度相同为 12.58 平方毫米，现在占面积的近 30%。

当然，这种影响不会在所有方面都感受到同样的影响。芯片上 SRAM 和缓存的百分比因目标市场和整体能力而异。然而，对于一些 AI 硬件初创公司来说，架构要求芯片的很大一部分被 SRAM 覆盖，这些工程师将比其他人更快地遇到更多挑战。

SRAM 微缩的崩溃并不仅限于台积电。我们已经指出 SRAM 缩放速度变慢的问题已经有一段时间了。例如，虽然英特尔仍在缩减其 SRAM 位单元，但该公司最近宣布的Intel 4 进程SRAM 缩放比例已从历史上的 0.5-0.6 倍放缓至 0.7-0.8 倍。对于 Intel 4，我们的估计密度（ISO 辅助电路开销与 TSMC 相比）为 27.8 Mib/mm² 或 4 Mib/mm² 或落后 13%。期望 Intel 的 Intel 3 工艺能够匹敌或击败它们并非不切实际。

那么，我们该何去何从？事实上，目前唯一可行的 SRAM 替代品就是更多的 SRAM，因此我们预计 SRAM 会直接占用更多的面积。这并不是说我们不期望更多的 SRAM 扩展。虽然我们确实希望台积电和其他代工厂生产更密集的 SRAM，但历史上的扩展似乎已经正式结束。Imec 等一些研究机构提出了更高密度的 SRAM 位单元。例如，在去年的 IEDM 2021 上，Imec 在一个假设的“超越 2 纳米节点”上展示了大约 60 Mib/mm² 的 SRAM 密度，大约是今天密度的两倍，该节点使用utilizing forksheet晶体管和先进的双面互连方案。

除了 SRAM，业界一直在研究许多其他替代内存架构。新兴的内存技术包括 MRAM、FeRAM、NRAM、RRAM、STT-RAM、PCM 等。与 SRAM 相比，这些新兴的内存位单元提供了独特的权衡，例如在较低的读/写规范下具有更高的密度、非易失性能力、较低的读写周期能力，或者在可能较低的密度或速度下具有较低的功耗。虽然它们不是 SRAM 的直接替代品，但向前发展它们可能会扮演 4 级或 5 级缓存的角色，其中较低的性能权衡可以通过更高的密度来抵消。

目前，该行业似乎已经到了一个有趣的拐点。

审核编辑：刘清